RU218788U1

RU218788U1 - SOLID-STATE LASER EMITTER

Info

Publication number: RU218788U1
Application number: RU2023109713U
Authority: RU
Inventors: Роман Андреевич Бызов; Наталья Борисовна Ярулина
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2023-06-13

Abstract

Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой. Излучатель твердотельного лазера содержит резонатор 1 с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание 2, и теплообменный блок, содержащий нагревательный элемент 6 и термодатчики 10, установленные в теплообменник, жестко закрепленный к теплоотводящей поверхности 13 излучателя и на держателях 11 элемента накачки 12 устройства накачки, и термоэлектрические модули 5. Между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателями элементов накачки расположен термоинтерфейс 8. Электрооптический затвор 25 содержит поляризатор 18, дополнительный поляризатор 19 и кристаллы 20, устройство накачки установлено на основание через изолятор. Теплообменный блок снабжен ограничителями 9, в которых размещены термоэлектрические модули 5 с равномерным зазором между собой, интерфейсом 7, выполненным из материала, идентичного теплообменнику, расположенным между теплоотводящей поверхностью 13 излучателя и теплообменником и закрепленным на ограничителях 9, дополнительным термоинтерфейсом 8, расположенным между интерфейсом и теплоотводящей поверхностью излучателя. Термоэлектрические модули 5 размещены между посадочной поверхностью теплообменника и интерфейсом, при этом установлены отдающей тепло поверхностью к интерфейсу, а поглощающей - к теплообменнику, который снабжен изоляторами 26, 27, расположенными по его внешнему периметру, и закреплен на теплоотводящей поверхности излучателя через изолятор. Технический результат - снижение энергопотребления излучателя лазера. 4 ил.

The utility model relates to diode-pumped solid-state lasers. The solid-state laser emitter contains a resonator 1 with an electro-optical shutter and a pumping device mounted rigidly on the base 2, and a heat exchange unit containing a heating element 6 and temperature sensors 10 installed in a heat exchanger rigidly fixed to the heat-removing surface 13 of the emitter and on the holders 11 of the pumping element 12 of the device pumping, and thermoelectric modules 5. Between the heat exchanger and thermoelectric modules, as well as between the heat exchanger and the holders of the pumping elements, there is a thermal interface 8. The electro-optical shutter 25 contains a polarizer 18, an additional polarizer 19 and crystals 20, the pumping device is installed on the base through an insulator. The heat exchange unit is equipped with limiters 9, in which thermoelectric modules 5 are placed with a uniform gap between them, an interface 7 made of a material identical to the heat exchanger, located between the heat-removing surface 13 of the radiator and the heat exchanger and fixed on the limiters 9, an additional thermal interface 8 located between the interface and heat sink surface of the radiator. Thermoelectric modules 5 are placed between the seating surface of the heat exchanger and the interface, while they are installed with a heat-releasing surface to the interface, and an absorbing surface - to the heat exchanger, which is equipped with insulators 26, 27 located along its outer perimeter, and fixed on the heat-removing surface of the radiator through the insulator. EFFECT: reduced energy consumption of the laser emitter. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности, к элементам накачки и системам их охлаждения и может быть использована при изготовлении лазерной техники, работающей при повышенных эксплуатационных нагрузках (при механических и термических напряжениях, при ударных и вибрационных нагрузках, воздействии предельных температур окружающей среды).The utility model relates to diode-pumped solid-state lasers, in particular, to pumping elements and their cooling systems, and can be used in the manufacture of laser equipment operating under increased operating loads (under mechanical and thermal stresses, under shock and vibration loads, exposure to extreme temperatures environment).

Известен твердотельный лазер с контролем температуры, содержащий резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники (патент Япония №2000091673, МПК Н01S 3/042, 3/109, опубл. 2000 г.).A solid-state laser with temperature control is known, containing a resonator mounted rigidly on the base, a pumping device and a heat exchange unit containing thermoelectric modules and heat exchangers (Japan patent No. 2000091673, IPC H01S 3/042, 3/109, publ. 2000).

Основание оптического резонатора лазера располагается на медном теплоотводе и алюминиевом радиаторе. Поверхности одного термоэлектрического модуля контактируют с основанием лазера и медным теплоотводом другого модуля с противоположной стороной теплоотвода и алюминиевым радиатором. В качестве материала основания резонатора используется инвар.The base of the optical resonator of the laser is located on a copper heat sink and an aluminum radiator. The surfaces of one thermoelectric module are in contact with the laser base and the copper heat sink of another module with the opposite side of the heat sink and an aluminum heatsink. Invar is used as the base material for the resonator.

Накачка активного элемента - торцевая с системой фокусировки, осуществляется полупроводниковым инфракрасным лазером. Для стабилизации выходных параметров лазера, в частности, в качестве средства поддержания постоянного относительного взаимного расположения оптических компонентов, использованы термоэлектрические модули, основанные на эффекте Пельтье.Pumping of the active element - end pumping with a focusing system, is carried out by a semiconductor infrared laser. To stabilize the output parameters of the laser, in particular, as a means of maintaining a constant relative relative position of the optical components, thermoelectric modules based on the Peltier effect are used.

Данный лазер обладает стабильными долговременными параметрами и минимизированным временем выхода на рабочий режим. Контроль температуры лазерного резонатора осуществляется термоэлектрическими модулями, основанными на эффекте Пельтье.This laser has stable long-term parameters and minimized time to reach the operating mode. The laser cavity temperature is controlled by thermoelectric modules based on the Peltier effect.

В целом система управления температурой лазера позволяет предотвратить возникающие в основании в процессе работы лазера и под влиянием окружающей среды температурные расширения, деформационные напряжения. Данная система терморегулирования позволяет считать постоянным во времени соотношение относительных положений оптических компонентов оптического резонатора, что позволяет стабилизировать выходные параметры лазера.In general, the laser temperature control system makes it possible to prevent thermal expansions and deformation stresses arising in the base during laser operation and under the influence of the environment. This thermal control system makes it possible to assume that the ratio of the relative positions of the optical components of the optical resonator is constant in time, which makes it possible to stabilize the output parameters of the laser.

Однако работа данного лазера достаточно эффективна только в диапазоне температур окружающей среды от плюс 15 до 70°С в течение 2 часов непрерывной работы, но не допускает эксплуатацию лазера в условиях воздействия более широкого диапазона температур, в том числе и минусовых.However, the operation of this laser is sufficiently effective only in the ambient temperature range from plus 15 to 70°C for 2 hours of continuous operation, but it does not allow the operation of the laser in a wider temperature range, including sub-zero temperatures.

Наиболее близким аналогом, близким к прототипу является универсальный излучатель твердотельного лазера, содержащий резонатор с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание, и теплообменный блок. Теплообменный блок содержит нагревательный элемент и термодатчики, установленные в теплообменник, а также термоэлектрические модули. Теплообменник жестко закреплен к теплоотводящей поверхности излучателя и на держателе элемента накачки устройства накачки, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателем элемента накачки расположен термоинтерфейс. Электрооптический затвор содержит поляризатор и кристаллы, устройство накачки установлено на основание через изолятор (патент РФ №2592057, МПК Н01S 3/042, опубл. 2016 г.).The closest analogue, close to the prototype, is a universal solid-state laser emitter containing a resonator with an electro-optical shutter and a pumping device mounted rigidly on the base, and a heat exchange unit. The heat exchange unit contains a heating element and temperature sensors installed in the heat exchanger, as well as thermoelectric modules. The heat exchanger is rigidly fixed to the heat-removing surface of the radiator and on the holder of the pumping element of the pumping device, between the heat exchanger and thermoelectric modules, as well as between the heat exchanger and the holder of the pumping element, there is a thermal interface. The electro-optical shutter contains a polarizer and crystals, the pumping device is installed on the base through an insulator (RF patent No. 2592057, IPC H01S 3/042, publ. 2016).

Согласно изобретению, устройство накачки выполнено в виде квантрона, жестко закрепленного на основании, теплообменный блок снабжен нагревательным элементом, установленным в теплообменнике, закрепленном на держателе элемента накачки квантрона, контурной тепловой трубой с пластиной конденсатора, термоинтерфейсом и термодатчиками, установленными в теплообменниках и пластине конденсатора.According to the invention, the pumping device is made in the form of a laser head rigidly fixed on the base, the heat exchange unit is equipped with a heating element installed in the heat exchanger, fixed on the holder of the head pump element, a loop heat pipe with a condenser plate, a thermal interface and thermal sensors installed in the heat exchangers and the condenser plate.

Термоэлектрические модули размещены между параллельной им пластиной конденсатора и теплообменником, закрепленным жестко на теплоотводящей поверхности, термоинтерфейс выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между пластиной конденсатора и термоэлектрическими модулями, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателем элемента накачки. Конструкция резонатора выполнена деформационно-устойчивой.The thermoelectric modules are placed between the condenser plate parallel to them and the heat exchanger fixed rigidly on the heat-removing surface, the thermal interface is made of a material with a high thermal conductivity and is located between the condenser plate and the thermoelectric modules, between the heat exchanger and the thermoelectric modules, and also between the heat exchanger and the pump element holder. The design of the resonator is made deformation-resistant.

Квантрон теплоизолирован от основания и не имеет контактов с резонатором, резонатор и квантрон позиционируются при помощи штифтов на основании, жестко закрепленном на посадочной поверхности, при этом оптическая схема выполнена на базе неустойчивого резонатора, а контурная тепловая труба содержит демпфирующие элементы.The laser head is thermally insulated from the base and has no contacts with the resonator, the resonator and laser head are positioned using pins on the base, rigidly fixed on the landing surface, while the optical circuit is made on the basis of an unstable resonator, and the loop heat pipe contains damping elements.

Таким образом, обеспечивается термостабилизация элементов накачки, малое время выхода на рабочий температурный режим, минимальные массогабаритные характеристики, стабильность работы излучателя лазера при повышенных эксплуатационных нагрузках.Thus, thermal stabilization of the pumping elements, a short time to reach the operating temperature regime, minimal weight and size characteristics, and stability of the laser emitter under increased operating loads are ensured.

Однако применение в конструкции излучателя твердотельного лазера контурной тепловой трубы, конструкция которой содержит трубку с малой толщиной стенки и паяные соединения, снижает прочность излучателя к воздействию ударных нагрузок и повышенных предельных температур окружающей среды, а режим работы электрооптического затвора с постоянным четвертьволновым высоковольтным напряжением может привести к эффекту электрохромной деградации ряда нелинейных кристаллов, используемых в схеме, вследствие ионной проводимости материала, что снижает показатели надежности лазера и его тактико-технические характеристики в целом. Кроме того, для запуска контурной тепловой трубы и поддержания режима ее работы в открытом состоянии требуются постоянные затраты тепловой мощности, что приводит к излишнему тепловыделению в лазере.However, the use of a loop heat pipe in the design of the solid-state laser emitter, the design of which contains a tube with a small wall thickness and soldered joints, reduces the strength of the emitter to impact loads and elevated ambient temperatures, and the operation mode of the electro-optical shutter with a constant quarter-wave high-voltage voltage can lead to the effect of electrochromic degradation of a number of nonlinear crystals used in the circuit, due to the ionic conductivity of the material, which reduces the reliability of the laser and its performance characteristics as a whole. In addition, to start the loop heat pipe and maintain its operation mode in the open state, constant expenditures of thermal power are required, which leads to excessive heat generation in the laser.

Задача, на решение которой направлена полезная модель - уменьшение тепловыделения в лазере и повышение его устойчивости к воздействию повышенной рабочей температуры.The task to be solved by the useful model is to reduce heat generation in the laser and increase its resistance to the effects of elevated operating temperatures.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - снижение энергопотребления излучателя лазера.The technical result obtained by using the proposed technical solution is to reduce the energy consumption of the laser emitter.

Указанный технический результат достигается тем, что в излучателе твердотельного лазера, который содержит резонатор с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание, и теплообменный блок, содержащий нагревательный элемент и термодатчики, установленные в теплообменник, жестко закрепленный к теплоотводящей поверхности излучателя и на держателях элемента накачки устройства накачки, и термоэлектрические модули, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателями элементов накачки расположен термоинтерфейс, электрооптический затвор содержит поляризатор и кристаллы, устройство накачки установлено на основание через изолятор, согласно предлагаемому решению теплообменный блок снабжен ограничителями, в которых размещены термоэлектрические модули с равномерным зазором между собой, интерфейсом, выполненным из материала идентичного теплообменнику, расположенным между теплоотводящей поверхностью излучателя и теплообменником и закрепленным на ограничителях, дополнительным термоинтерфейсом, расположенным между интерфейсом и теплоотводящей поверхностью излучателя, ограничители соединены с теплообменником, термоэлектрические модули размещены между посадочной поверхностью теплообменника и интерфейсом, при этом установлены отдающей тепло поверхностью к интерфейсу, а поглощающей - к теплообменнику, который снабжен изоляторами, расположенными по его внешнему периметру, и закреплен на теплоотводящей поверхности излучателя через изолятор, электрооптический затвор снабжен дополнительным поляризатором, а изоляторы выполнены из материала с низкой теплопроводностью.The specified technical result is achieved by the fact that in the solid-state laser emitter, which contains a resonator with an electro-optical shutter and a pumping device mounted rigidly on the base, and a heat exchange unit containing a heating element and temperature sensors installed in a heat exchanger rigidly fixed to the heat-removing surface of the emitter and on holders pumping element of the pumping device, and thermoelectric modules, between the heat exchanger and thermoelectric modules, as well as between the heat exchanger and the holders of the pumping elements, there is a thermal interface, the electro-optical shutter contains a polarizer and crystals, the pumping device is installed on the base through an insulator, according to the proposed solution, the heat exchange unit is equipped with limiters, in which thermoelectric modules are placed with a uniform gap between them, an interface made of a material identical to the heat exchanger, located between the heat-removing surface of the radiator and the heat exchanger and fixed on the limiters, an additional thermal interface located between the interface and the heat-removing surface of the emitter, the limiters are connected to the heat exchanger, the thermoelectric modules are placed between seating surface of the heat exchanger and the interface, while the heat-releasing surface is installed to the interface, and the absorbing surface is installed to the heat exchanger, which is equipped with insulators located along its outer perimeter and fixed on the heat-removing surface of the radiator through an insulator, the electro-optical shutter is equipped with an additional polarizer, and the insulators are made of material with low thermal conductivity.

Благодаря наличию новых признаков совместно с известными, общими с прототипом, достигается следующий технический результат. При работе за счет переноса тепла на теплоотводящую поверхность излучателя при помощи теплообменника, который снабжен интерфейсом, термоинтерфейсом и изоляторами, обеспечивается эффективное охлаждение излучателя, при этом дополнительный поляризатор, которым снабдили электрооптический затвор, позволил обеспечить возможность реализации режима активной модуляции добротности за счет подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения и, тем самым, повысить контраст электрооптического затвора и исключить развитие эффекта электрохромной деградации ряда нелинейных кристаллов, используемых в ячейке Поккельса.Due to the presence of new features, together with the known, common with the prototype, the following technical result is achieved. During operation, due to the transfer of heat to the heat-removing surface of the radiator using a heat exchanger, which is equipped with an interface, a thermal interface and insulators, the radiator is efficiently cooled, while the additional polarizer, which was equipped with an electro-optical shutter, made it possible to implement the active Q-switching mode by supplying to the cell Pockels of a pulsed half-wave voltage and, thereby, increase the contrast of the electro-optical shutter and eliminate the development of the effect of electrochromic degradation of a number of nonlinear crystals used in the Pockels cell.

Все это позволило снизить энергопотребление излучателя лазера и как следствие, уменьшить тепловыделение в лазере и повысить его устойчивость к воздействию повышенной рабочей температуре.All this made it possible to reduce the power consumption of the laser emitter and, as a result, to reduce heat generation in the laser and increase its resistance to elevated operating temperatures.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данной полезной модели. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».When analyzing the prior art, no analogues were found that are characterized by features that are identical to all the essential features of this utility model. And also, the fact of the popularity of the influence of the features included in the formula on the technical result of the proposed technical solution has not been revealed. Therefore, the claimed utility model meets the condition of "novelty".

На фиг. 1 представлен общий вид излучателя.In FIG. 1 shows a general view of the emitter.

На фиг. 2 - общий вид теплообменного блока.In FIG. 2 - general view of the heat exchange unit.

На фиг. 3 - оптическая схема излучателя.In FIG. 3 - optical scheme of the emitter.

На фиг. 4 - разрез А-А.In FIG. 4 - section A-A.

Излучатель твердотельного лазера содержит резонатор 1 (фиг. 1), установленный жестко на основание 2, устройство накачки и теплообменный блок. Устройство накачки выполнено в виде квантрона 3, который жестко закреплен на основании 2. Теплообменный блок содержит теплообменник 4, термоэлектрические модули 5, нагревательный элемент 6, интерфейс 7, термоинтерфейс 8, ограничители 9, термодатчики 10 (фиг. 2). Нагревательный элемент 6 установлен в теплообменник 4, закрепленный на держателях 11 элементов накачки 12 квантрона 3. С другой стороны теплообменник 4 жестко крепится к теплоотводящей поверхности 13 излучателя при помощи крепежных элементов через шайбу 14, выполненную из изоляционного материала и выполняющую роль изолятора.The solid-state laser emitter contains a resonator 1 (Fig. 1) mounted rigidly on the base 2, a pumping device and a heat exchange unit. The pumping device is made in the form of a laser head 3, which is rigidly fixed on the base 2. The heat exchange unit contains a heat exchanger 4, thermoelectric modules 5, a heating element 6, an interface 7, a thermal interface 8, limiters 9, and temperature sensors 10 (Fig. 2). The heating element 6 is installed in the heat exchanger 4, fixed on the holders 11 of the pumping elements 12 of the laser head 3. On the other hand, the heat exchanger 4 is rigidly attached to the heat-removing surface 13 of the emitter with the help of fasteners through the washer 14, made of an insulating material and acting as an insulator.

Термодатчики 10 установлены в теплообменнике 4 между модулями 5 и элементами накачки 12. Термоэлектрические модули 5 размещены с равномерным воздушным зазором между собой в ограничителях 9 между посадочной поверхностью теплообменника 4 и интерфейсом 7. Интерфейс 7 крепится к ограничителям 9, выполнен из материала, идентичного теплообменнику 4, и расположен между теплоотводящей поверхностью 13 и теплообменником 4. Термоинтерфейс 8 выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между элементами, участвующими в теплообмене: между теплообменником 4 и термоэлектрическими модулями 5, между интерфейсом 7 и теплоотводящей поверхностью 13, между теплообменником 4 и держателями 11 элементов накачки.Thermal sensors 10 are installed in heat exchanger 4 between modules 5 and pumping elements 12. Thermoelectric modules 5 are placed with a uniform air gap between them in limiters 9 between the seating surface of heat exchanger 4 and interface 7. Interface 7 is attached to limiters 9, made of a material identical to heat exchanger 4 , and is located between heat-removing surface 13 and heat exchanger 4. Thermal interface 8 is made of a material with a high thermal conductivity and is located between the elements involved in heat exchange: between heat exchanger 4 and thermoelectric modules 5, between interface 7 and heat-removing surface 13, between heat exchanger 4 and holders 11 pump elements.

Конструкция резонатора 1 выполнена деформационно-устойчивой. На фланцах резонатора закреплены зеркала 15, 16, при этом образованный этими зеркалами оптический резонатор может быть выполнен на основе устойчивой или неустойчивой конфигурации (фиг. 3). Оптический резонатор излучателя содержит активный элемент 17, глухое зеркало 16, поляризатор 18, дополнительный поляризатор 19, ячейку Поккельса на основе сборки высоко-омных кристаллов 20, выходное зеркало 15 (фиг. 3). Поляризаторы 18 и 19, а также ячейка Поккельса, образованная кристаллами 20, образуют электрооптический затвор (ЭОЗ) для активной модуляции добротности оптического резонатора, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения.The design of the resonator 1 is made deformation-resistant. Mirrors 15, 16 are fixed on the resonator flanges, while the optical resonator formed by these mirrors can be made on the basis of a stable or unstable configuration (Fig. 3). The optical resonator of the emitter contains an active element 17, a blind mirror 16, a polarizer 18, an additional polarizer 19, a Pockels cell based on an assembly of high-ohmic crystals 20, and an output mirror 15 (Fig. 3). Polarizers 18 and 19, as well as the Pockels cell formed by crystals 20, form an electro-optical shutter (EOS) for active Q-switching of the optical resonator, which is controlled by applying a pulsed half-wave voltage to the Pockels cell.

Квантрон 3 устанавливается на основание 2 на подставку 21 через подложку 22, при этом его позицонирование относительно резонатора обеспечивается с помощью штифтов (фиг. 1, 4). Подставка 21 квантрона с подложкой 22 крепится к основанию 2 через изолятор 23. Таким образом, квантрон 3 теплоизолирован от основания 2 и при этом не имеет контактов с резонатором 1.The laser head 3 is installed on the base 2 on the stand 21 through the substrate 22, while its positioning relative to the resonator is provided with the help of pins (Fig. 1, 4). The laser head support 21 with the substrate 22 is attached to the base 2 through the insulator 23. Thus, the laser head 3 is thermally insulated from the base 2 and has no contacts with the resonator 1.

К корпусу квантрона 3 с одной стороны крепится жестко кронштейн 24 поляризатора 18, установленный симметрично относительно активного элемента квантрона. К корпусу блока ЭОЗ 25 крепится дополнительный поляризатор 19, установленный симметрично относительно кристаллов 20 (на фиг. не показано).On the one hand, a bracket 24 of the polarizer 18 is rigidly attached to the head housing 3 on one side, mounted symmetrically with respect to the active element of the head. An additional polarizer 19 is attached to the body of the EOS block 25, mounted symmetrically with respect to the crystals 20 (not shown in the figure).

Блок ЭОЗ 25 позиционируется на основании 2. В блоке предусмотрена дополнительная юстировка нелинейных кристаллов 20 по углу относительно основания.The EOS block 25 is positioned on the base 2. The block provides additional adjustment of the nonlinear crystals 20 in terms of the angle relative to the base.

Термоэлектрические модули 5 и нагревательный элемент 6 используются в качестве элементов термостабилизации. Термоэлектрические модули 5 установлены: поглощающей тепло поверхностью к теплообменнику 4 и отдающей тепло поверхностью к интерфейсу 7.Thermoelectric modules 5 and heating element 6 are used as thermal stabilization elements. Thermoelectric modules 5 are installed: heat-absorbing surface to heat exchanger 4 and heat-releasing surface to interface 7.

Ограничители 9, предназначенные для устранения перемещения термоэлектрических модулей 5, крепятся к теплообменнику 4. (фиг. 2). К теплообменнику 4 с каждой стороны по его внешнему периметру крепятся изоляторы 26, 27. Ограничители 9, изоляторы 23, 26, 27, подложка 22, шайба 14 выполнены из материала с низкой теплопроводностью - неметалла с наименьшей теплопроводностью (например, полистирола, полиамида, текстолита, гетинакса и т.д.). В качестве материала для интерфейса 7 и теплообменника 4 выбран материал с высокой теплопроводностью (например, медь, алюминий и т.п.). В качестве элементов накачки (ЭН) могут использоваться либо матрицы лазерных диодов, либо линейки лазерных диодов.Limiters 9, designed to eliminate the movement of thermoelectric modules 5, are attached to the heat exchanger 4. (Fig. 2). Insulators 26, 27 are attached to the heat exchanger 4 on each side along its outer perimeter. Limiters 9, insulators 23, 26, 27, substrate 22, washer 14 are made of a material with low thermal conductivity - a non-metal with the lowest thermal conductivity (for example, polystyrene, polyamide, textolite , getinaks, etc.). As the material for the interface 7 and the heat exchanger 4, a material with high thermal conductivity (for example, copper, aluminum, etc.) is selected. Either matrices of laser diodes or arrays of laser diodes can be used as pump elements (PEs).

Устройство работает следующим образом. На ЭН подается ток накачки с заданной амплитудой, и элементы накачки начинают генерировать излучение, поглощаемое АЭ 17. Таким образом, возбуждается активная среда, заполняющая оптический резонатор и возникает генерация излучения между выходным 15 и глухим 16 зеркалами. Направление излучения показано на фиг. 1.The device works as follows. A pump current with a given amplitude is applied to the EN, and the pump elements begin to generate radiation absorbed by the AE 17. Thus, the active medium is excited that fills the optical resonator and radiation is generated between the output 15 and deaf 16 mirrors. The direction of radiation is shown in Fig. 1.

Для обеспечения режимов работы излучателя в заданных условиях эксплуатации возникает необходимость термостабилизации элементов накачки, при этом обеспечение выхода на температурный рабочий режим ЭН происходит следующим образом. Нагревательный элемент 6 повышает температуру теплообменника 4 от исходной до температуры выхода ЭН на рабочий режим. Термоэлектрические модули 5 обеспечивают охлаждение ЭН от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы ЭН, до рабочей, через теплообменник 4, входящий в теплообменный модуль. Теплообмен к теплоотводящей поверхности 13 по теплообменнику 4 от его части, примыкающей к элементам накачки 12, до термоэлектрических модулей 5 происходит за счет градиента температур. Термоинтерфейс 8 и интерфейс 7 обеспечивают высокую теплопроводность между элементами конструкции, участвующими в теплообмене. Таким образом, снижается температура элементов накачки до рабочей и происходит термостабилизация элементов накачки. Термостабилизация элементов накачки осуществляется посредством управления режимами работы нагревателей, термоэлектрических модулей при помощи термодатчиков 10, контролирующих температуру теплообменника 4 в месте установки термоэлектрического модуля 5 и элементов накачки.To ensure the operating modes of the emitter under the specified operating conditions, it becomes necessary to thermally stabilize the pump elements, while ensuring access to the temperature operating mode of the EP occurs as follows. The heating element 6 raises the temperature of the heat exchanger 4 from the initial temperature to the temperature of the EH exit to the operating mode. Thermoelectric modules 5 provide cooling of the EP from the initial elevated temperature formed by the external climatic conditions of operation, as well as during the operation of the EP, to the operating one, through the heat exchanger 4, which is included in the heat exchange module. Heat transfer to the heat-removing surface 13 through the heat exchanger 4 from its part adjacent to the pumping elements 12 to the thermoelectric modules 5 occurs due to the temperature gradient. Thermal interface 8 and interface 7 provide high thermal conductivity between structural elements involved in heat exchange. Thus, the temperature of the pumping elements decreases to the operating temperature and the thermal stabilization of the pumping elements occurs. Thermal stabilization of the pumping elements is carried out by controlling the operating modes of heaters, thermoelectric modules using temperature sensors 10 that control the temperature of the heat exchanger 4 at the installation site of the thermoelectric module 5 and pumping elements.

Подложка 22, изоляторы 23 (фиг. 4) обеспечивают теплоизоляцию квантрона 3 с подставкой 21 от основания 2, жестко закрепленного на посадочной поверхности 28, а ограничители 9 и шайба 14 (фиг. 2) обеспечивают теплоизоляцию интерфейса 7 относительно теплообменника 4. Изоляторы 26, 27 обеспечивают теплоизоляцию теплообменника 4 от окружающей среды. Отсутствие контактов между корпусом резонатора 1 и конструкцией квантрона 3, содержащего корпус, элементы накачки, а также элементы термостабилизации, обеспечивает их теплоизоляцию относительно друг друга. Таким образом, обеспечивается снижение тепловыделения элементов конструкции излучателя лазера, а также эффективная работа электрооптического затвора, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения. Что приводит к техническому результату, а именно снижению энергопотребления излучателя лазера.Substrate 22, insulators 23 (Fig. 4) provide thermal insulation of laser head 3 with stand 21 from base 2, rigidly fixed on seating surface 28, and limiters 9 and washer 14 (Fig. 2) provide thermal insulation of interface 7 relative to heat exchanger 4. Insulators 26, 27 provide thermal insulation of the heat exchanger 4 from the environment. The absence of contacts between the resonator housing 1 and the design of the laser head 3, which contains the housing, pumping elements, and thermal stabilization elements, ensures their thermal insulation relative to each other. Thus, the heat release of the laser emitter design elements is reduced, as well as the efficient operation of the electro-optical shutter, which is controlled by applying a pulsed half-wave voltage to the Pockels cell. Which leads to the technical result, namely the reduction of power consumption of the laser emitter.

Примером практического применения устройства может служить созданный твердотельный лазер с термостабилизацией диодной накачки и электрооптической модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня из иттрий-алюминиевого граната с неодимом YAG:Nd³⁺(∅ 5 × 65 мм). В качестве электрооптического модулятора добротности был применен высокоомный кристалл КТР (8×8×10) мм. В качестве элементов накачки применены матрицы лазерных диодов производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, патент РФ №2544875. Вышеуказанный лазер предназначен для генерации импульсов лазерного излучения с энергией в импульсе не менее 120 мДж, длительностью ≈ 5 нс, частотой повторения до 30 Гц и энергопотреблением до 250 В⋅А в диапазоне рабочих температур более 100°С и может работать в режиме непрерывной генерации импульсов излучения в пределах ресурсных показателей лазера.An example of the practical application of the device is the developed solid-state laser with thermal stabilization of diode pumping and electro-optical Q-switching with an active element in the form of an yttrium aluminum garnet rod with neodymium YAG:Nd ³⁺ (∅ 5 × 65 mm). A high-resistance KTP crystal (8×8×10) mm was used as an electro-optical Q-switch. Matrices of laser diodes manufactured by Federal State Unitary Enterprise RFNC-VNIITF, RF patent No. 2544875, were used as pumping elements. The above laser is designed to generate laser radiation pulses with a pulse energy of at least 120 mJ, a duration of ≈ 5 ns, a repetition rate of up to 30 Hz and a power consumption of up to 250 V⋅A in the operating temperature range of more than 100°C and can operate in the continuous pulse generation mode radiation within the resource indicators of the laser.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:Thus, the presented data testify to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed utility model:

средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью;a tool that embodies the claimed device in its implementation, is intended for use in the electronic and optical-mechanical industries in the manufacture of laser devices with increased power;

для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления.for the claimed device in the form in which it is characterized in the formula of the utility model, the possibility of its implementation is confirmed.

Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed utility model meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A solid-state laser emitter containing a resonator with an electro-optical shutter and a pumping device mounted rigidly on the base, and a heat exchange unit containing a heating element and thermal sensors installed in a heat exchanger rigidly fixed to the heat-removing surface of the emitter and on the holders of the pumping elements of the pumping device, and thermoelectric modules, between the heat exchanger and thermoelectric modules, as well as between the heat exchanger and the holders of the pumping elements, there is a thermal interface, the electro-optical shutter contains a polarizer and crystals, the pumping device is installed on the base through an insulator, characterized in that the heat exchange unit is equipped with limiters, in which thermoelectric modules are placed with a uniform gap between itself, an interface made of a material identical to the heat exchanger, located between the heat-removing surface of the radiator and the heat exchanger and fixed on the limiters, an additional thermal interface located between the interface and the heat-removing surface of the radiator, the limiters are connected to the heat exchanger, the thermoelectric modules are placed between the seating surface of the heat exchanger and the interface, with In this case, the heat-releasing surface is installed to the interface, and the absorbing surface is installed to the heat exchanger, which is equipped with insulators located along its outer perimeter and fixed on the heat-removing surface of the radiator through an insulator, the electro-optical shutter is equipped with an additional polarizer, and the insulators are made of a material with low thermal conductivity.